使用直接驅(qū)動電機解決低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用，可以避免隱藏的初始成本，同時在設(shè)備的整個生命周期內(nèi)節(jié)省資金。

了解工業(yè)直接驅(qū)動伺服電機技術(shù)，有助于在各種應(yīng)用中更好地應(yīng)用伺服電機。什么是直接驅(qū)動電機？何時使用直接驅(qū)動電機，可以提供比基于傳動的替代方案更好的性能指標？

圖1展示了安裝在鋼板上的典型直接驅(qū)動電機，配置了手動旋轉(zhuǎn)法蘭。直接驅(qū)動電機具有圓柱形的“甜甜圈”外形，旋轉(zhuǎn)法蘭中間為一個孔。標準伺服電機通常沒有電機軸。直接驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)部分仍稱為轉(zhuǎn)子，沿法蘭有安裝孔。負載直接連接到電機法蘭上。這就是“直接驅(qū)動電機”名稱的來源。

不動的部分被稱為定子。這是連接電纜的地方。定子也有安裝孔，用螺栓固定在機架上。直接驅(qū)動電機也可以稱為扭矩電機或輪轂電機。

直接驅(qū)動電機的扭矩，比標準伺服電機要高得多，但轉(zhuǎn)速要低得多。它們以轉(zhuǎn)速換取扭矩，典型情況下，最高轉(zhuǎn)速只有幾百RPM，而在極高扭矩時只有幾十RPM。

直驅(qū)電機的規(guī)格和選型

直接驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線與伺服電機很像，減速比在 10:1 左右，有時可高達 100:1。圖2顯示了適合齒輪伺服電機或直接驅(qū)動電機應(yīng)用的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線以及RMS和峰值運行點。在本例中，兩個系統(tǒng)均可提供高達約28 Nm的扭矩，在峰值扭矩達到50 Nm時，其最高轉(zhuǎn)速剛好超過100 RPM。

▲此圖顯示了適合齒輪伺服電機或直接驅(qū)動電機應(yīng)用轉(zhuǎn)速 - 扭矩曲線以及轉(zhuǎn)速和峰值運行點。

直驅(qū)電機體積顯然要大得多，安裝的法蘭也較寬。兩種電機都適用于這個應(yīng)用。但即使是最好的變速器，也會增加一定程度的柔性和間隙。因此，直驅(qū)電機在執(zhí)行任務(wù)時具有更高的精度、更好的可重復(fù)性和更短的穩(wěn)定時間。

適合直驅(qū)電機的應(yīng)用

對于各種旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，應(yīng)該優(yōu)先使用直接驅(qū)動電機而不是齒輪電機。直驅(qū)電機應(yīng)用的轉(zhuǎn)速相對較低，并且在該裝置的設(shè)計中，使用法蘭安裝而不是軸安裝。最常見的應(yīng)用是旋轉(zhuǎn)表或旋轉(zhuǎn)分度器。一個很好的例子是在卷繞應(yīng)用中驅(qū)動線軸，或驅(qū)動卷筒以進行打印或切割。機器人機械結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)，也可以受益于直接驅(qū)動電機的性能和緊湊尺寸。用于拾取和放置的夾具的旋轉(zhuǎn)定位，或天線、望遠鏡、旋轉(zhuǎn)部件制造和激光的定位，在這些應(yīng)用中，直驅(qū)電機都可以提供卓越的性能。

直接驅(qū)動伺服系統(tǒng)一般不用于直線傳動。線性直接驅(qū)動類似于線性電機，它直接驅(qū)動負載，以避免在諸如皮帶、螺桿或齒條和小齒輪等機械結(jié)構(gòu)中存在的間隙和柔性。

??直驅(qū)電機的構(gòu)造

與標準伺服電機一樣，直接驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子由鐵永磁體組成。定子中的線圈產(chǎn)生一個移動磁場，該磁場在所需方向上施加扭矩。通過旋轉(zhuǎn)編碼器向控制系統(tǒng)提供位置反饋。

▲與標準伺服電機一樣，直接驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子由鐵永磁體組成。定子中的線圈產(chǎn)生一個移動磁場，該磁場在所需方向上施加扭矩。通過旋轉(zhuǎn)編碼器向控制系統(tǒng)提供位置反饋。

▲存在兩種基本的定子設(shè)計；鐵芯和無芯。定子線圈可以纏繞在鐵芯上，這會增加定子中的磁場強度，從而在更小的電機中產(chǎn)生更高的扭矩。無芯意味著線圈中沒有鐵。

有兩種基本的轉(zhuǎn)子設(shè)計：內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子。內(nèi)轉(zhuǎn)子在外面有定子線圈。相反的配置是外轉(zhuǎn)子，定子線圈在里面。對于給定的電機尺寸，內(nèi)轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)最高加轉(zhuǎn)速。外轉(zhuǎn)子意味著電機具有更高的轉(zhuǎn)動慣量，更適合控制高慣性負載。

還有兩種基本的定子設(shè)計：鐵芯和無芯。定子線圈可以纏繞在鐵芯上，這會增加定子中的磁場強度，從而在更小的電機中產(chǎn)生更高的扭矩。無芯意味著線圈中沒有鐵。雖然對于給定電機尺寸，無芯電機的扭矩較低，但它可以提供最準確的轉(zhuǎn)速控制，而沒有扭矩脈動的齒槽扭矩分量。

應(yīng)了解給定旋轉(zhuǎn)應(yīng)用的直接驅(qū)動電機替代方案。最流行的是使用行星齒輪或其它齒輪技術(shù)，來降低轉(zhuǎn)速和增加扭矩。使用皮帶和皮帶輪系統(tǒng)也可以達到相同的效果。有時兩者一起使用。

直接驅(qū)動電機的初始成本

與具有相似扭矩和轉(zhuǎn)速特性的齒輪或皮帶機構(gòu)相比，直接驅(qū)動在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中具有的性能優(yōu)勢。與其他技術(shù)相比，直驅(qū)電機在成本、扭矩、轉(zhuǎn)速、剛性、間隙和其它指標方面也有其優(yōu)勢和劣勢，這不是一個嚴格和絕對的評價，但是代表了一些行業(yè)應(yīng)用的普遍趨勢。

▲無芯直接驅(qū)動電機設(shè)計可以提供最精確的轉(zhuǎn)速控制，且沒有扭矩脈動的齒槽扭矩分量。

讓我們從初始成本開始。皮帶輪傳動的成本明顯低于齒輪箱。但最大減速比約為 3:1。這意味著在低速和高扭矩應(yīng)用中，需要更大、更昂貴的伺服電機和放大器。直接驅(qū)動電機的初始成本仍然高于這兩種基于變速器的替代方案。

除了電機和變速器之外，還有用于支撐負載的聯(lián)軸器和額外軸承的成本。集成這些組件會產(chǎn)生設(shè)計和工程成本。還需要考慮性能和維護的長期成本。對于低速旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，直接驅(qū)動解決方案是一種簡單的設(shè)計，可能會具有最低的初始成本，同時具有最高的長期性能。

剛性和系統(tǒng)振蕩

剛性是最重要的性能特征之一。每個機械連接的部件都具有一定的剛性，即彈簧常數(shù)。剛性與每個元件的質(zhì)量一起，定義了系統(tǒng)的固有振動頻率。如果這些頻率太低，能量的釋放會對電機造成嚴重干擾。這會干擾定位負載的控制系統(tǒng)算法。

▲查看運動控制應(yīng)用的性能指標，以幫助選擇合適的技術(shù)。表格比較了直接驅(qū)動、齒輪和皮帶等三個選項。

皮帶剛性

在基于皮帶的傳輸中，伺服聯(lián)軸器將輸出皮帶輪連接到旋轉(zhuǎn)負載。負載的重量由環(huán)形軸承支撐。皮帶和皮帶輪的比例，實際上被限制在 3:1 左右，如果超過該比例，皮帶的角度會導(dǎo)致與驅(qū)動皮帶的皮帶輪的表面接觸過少。嘗試多級皮帶輪或過長的皮帶來改善這種情況通常不切實際。相反，伺服電機通常尺寸較大，以達到低速應(yīng)用所需的扭矩。在圖 7中，隨著電機開始轉(zhuǎn)動，皮帶首先根據(jù)其彈簧常數(shù)偏擺。然后在負載最終移動之前，聯(lián)軸器也會偏擺。電機聯(lián)軸器、負載聯(lián)軸器和長機器軸也會導(dǎo)致剛性損失。

▲隨著電機開始轉(zhuǎn)動，皮帶首先根據(jù)其彈簧常數(shù)偏擺。然后在負載最終移動之前，聯(lián)軸器也會偏擺。

齒輪剛性

對于齒輪驅(qū)動的變速器，伺服聯(lián)軸器將齒輪箱輸出連接到旋轉(zhuǎn)負載。負載的重量再次由環(huán)形軸承支撐。行星齒輪箱和多級齒輪箱通常是低間隙和高剛性應(yīng)用的首選。

齒輪箱的剛性比皮帶高得多，但原理相同。電機拖動輸入齒輪，該齒輪偏擺，從而帶動輸出齒輪，該輸出齒輪也發(fā)生一定程度的偏擺。與負載的耦合可能偏擺最大。

▲電機聯(lián)軸器、負載聯(lián)軸器和長機器軸也會導(dǎo)致剛性損失。

?直驅(qū)剛性

直接驅(qū)動電機繞過所有傳輸組件及其柔性以及相關(guān)的諧振頻率。直接驅(qū)動電機通常配置非常大的軸承，以增加軸向和徑向負載能力。這并不是說沒有諧振。

諧振頻率仍然可以由負載本身產(chǎn)生，或者通過電機和負載之間的任何安裝板或延伸部分產(chǎn)生。電機的定子和機架之間甚至?xí)a(chǎn)生共振，就像在基于傳輸?shù)南到y(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的那樣。但是直接驅(qū)動系統(tǒng)的高剛性，會導(dǎo)致超出運行系統(tǒng)允許的高諧振頻率。

負載慣量和加轉(zhuǎn)速度

諧振頻率也是負載慣量和電機慣量的函數(shù)。在關(guān)鍵性能指標中，這被稱為負載與電機慣量比。伺服系統(tǒng)的負載與電機慣量比通常小于10:1，以便通過彈性聯(lián)軸器對電機的負載進行可接受的控制。

直接驅(qū)動應(yīng)用不使用彈性聯(lián)軸器，因此可以支持更高的慣量比。盡管如此，負載慣量對于直接驅(qū)動電機來說還是很重要的，因為根據(jù)牛頓第二定律，它會限制加速度和減速度，還會影響軸承壽命。直接驅(qū)動電機的低摩擦意味著幾乎所有停止移動負載的動力，都必須由電子驅(qū)動系統(tǒng)提供，這也會限制最大負載。

▲直接驅(qū)動電機的低摩擦意味著幾乎所有停止移動負載的動力，都必須由電子驅(qū)動系統(tǒng)提供，這也會限制最大負載。

間隙和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動變速器

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動變速器的性能受到間隙的影響。當(dāng)機構(gòu)反轉(zhuǎn)時，會造成空轉(zhuǎn)。齒輪箱在驅(qū)動鏈輪和輸出鏈輪之間，有一定的間隙。對于皮帶系統(tǒng)，間隙發(fā)生在皮帶和皮帶輪的齒之間。

制造商已經(jīng)開發(fā)出方法來減少驅(qū)動傳輸中的間隙，并在控制系統(tǒng)中對其進行電子補償。但總會有一定程度的間隙，而且隨著傳輸機構(gòu)的磨損，它往往會變得更糟。結(jié)果是，負載的位置不能完全由電機編碼器的位置確定。并且由于在反轉(zhuǎn)時負載會在短時間內(nèi)與電機斷開連接，它還可能導(dǎo)致調(diào)諧不穩(wěn)定和噪聲運營。

▲旋轉(zhuǎn)驅(qū)動變速器的性能受到間隙的影響。當(dāng)機構(gòu)反轉(zhuǎn)時，會造成空轉(zhuǎn)。

由于在反轉(zhuǎn)時，負載會在短時間內(nèi)與電機斷開連接，間隙會導(dǎo)致調(diào)諧不穩(wěn)定和噪聲運行。直接驅(qū)動電機是唯一可以實現(xiàn)零間隙的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)。由于電機與負載直接相連，因此電機編碼器測得的負載位置更接近負載本身。

位置穩(wěn)定時間

剛性、負載慣量、慣量比和間隙，都是使傳動機構(gòu)位置穩(wěn)定時間惡化的關(guān)聯(lián)因素。位置穩(wěn)定時間，是指從指令動作結(jié)束與機構(gòu)實際停止之間的延遲。減少這種延遲對于許多具有短程動作的應(yīng)用尤其重要。等待機器停止，可能占到整個周期相當(dāng)大的一部分。

請記住，這些傳動機構(gòu)的位置由旋轉(zhuǎn)伺服電機的編碼器測量。編碼器可以顯示負載以較短的時間穩(wěn)定下來。這意味著編碼器已停止移動。負載可能仍在運動中，尚未穩(wěn)定或正經(jīng)歷振動和振蕩。

傳輸系統(tǒng)的剛性和間隙會干擾通過編碼器測量的穩(wěn)定時間。然而，在直接驅(qū)動電機中，編碼器本質(zhì)上是固定在負載本身上的，報告負載的真實穩(wěn)定時間。由于其高剛性和零間隙，通過良好的調(diào)整可以顯著減少直接驅(qū)動電機的穩(wěn)定時間，同時還需要盡可能的減輕源自負載本身的振動。

齒輪箱和皮帶可實現(xiàn)的穩(wěn)定時間，通常受到機械剛性和間隙水平的影響，齒輪箱的性能通常優(yōu)于皮帶。這些機構(gòu)的位置是通過旋轉(zhuǎn)伺服電機的編碼器測量的。

編碼器可能表示負載已以較短的建立時間穩(wěn)定，但它的真正含義是編碼器已停止移動。負載可能仍在運動中但尚未穩(wěn)定，或者可能正在經(jīng)歷振動。

傳動裝置的剛性和間隙會干擾通過編碼器測量穩(wěn)定時間。在直接驅(qū)動電機中，編碼器基本上是固定在負載本身上，用于報告負載的真實穩(wěn)定時間。

▲位置穩(wěn)定時間是移動指令結(jié)束與機構(gòu)停止之間的延遲。減少延遲，對于許多具有短程動作的應(yīng)用尤其重要。等待機器停止，可能占整個周期相當(dāng)大的一部分。

準確性和可重復(fù)性

間隙和剛性也有助于機構(gòu)的定位精度和可重復(fù)性。精度是衡量偏離理想狀況的指標。例如，如果命令機器移動90度，它是否正好移動90.000 度？或者如果你從外部測量，它是否只移動了89.999度？通常更重要的是可重復(fù)性，也稱為精度。

如果指令為90.000時，機器可以重復(fù)移動89.999，那么就調(diào)整指令，直到重復(fù)移動到所需的位置。

控制系統(tǒng)測量編碼器的位置。剛性和間隙給這些測量增加了不確定性因素。此外，齒輪箱或皮帶系統(tǒng)的制造過程也會影響精度和可重復(fù)性。只有采用自然設(shè)計的直接驅(qū)動電機，才能直接測量負載并移動負載，而不會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動變速器中存在的間隙和柔性問題。

▲直接驅(qū)動電機的設(shè)計，直接測量負載并移動負載，而不會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動變速器中存在的間隙和柔性問題。

全閉環(huán)運行

如果應(yīng)用需要，為什么不通過在負載上添加旋轉(zhuǎn)編碼器來補償齒輪箱或皮帶傳動裝置的間隙和剛性？是的，這是可能的，業(yè)內(nèi)使用的一個術(shù)語是全閉環(huán)。

全閉環(huán)運行允許旋轉(zhuǎn)電機的位置環(huán)，通過直接安裝在負載上的附加旋轉(zhuǎn)編碼器來閉合。這提高了可重復(fù)性和精確性，但對提高剛性、穩(wěn)定時間和磨損沒有太大作用。由于會顯著增加成本和復(fù)雜性，所以很少會像這樣添加外部旋轉(zhuǎn)編碼器。

▲全閉環(huán)允許旋轉(zhuǎn)電機的位置環(huán)，通過直接安裝在負載上的附加旋轉(zhuǎn)編碼器來閉合。這提高了可重復(fù)性和準確性，但對提高剛性、穩(wěn)定時間和磨損沒有太大作用。

穩(wěn)定時間對機器的影響

實際上，機器可能會由于穩(wěn)定時間性能不佳而浪費錢，在伺服電機選型過程中很少會考慮這一點。在圖 14所示的裝置中，具有相似功率容量的直接驅(qū)動電機和齒輪電機，以相同的運動曲線運行相同的負載。

行星齒輪減速比為 50:1，額定間隙小于5弧分。移動曲線要求兩個電機在接近其峰值扭矩額定值時加速和減速，并且 RMS 扭矩剛好低于連續(xù)額定值。兩臺電機都經(jīng)過調(diào)諧，直到電機編碼器測量的穩(wěn)定時間接近 50 毫秒。在兩個裝置中，外部環(huán)形編碼器都安裝在負載上，以從外部測量負載位置以進行分析。這揭示了由齒輪電機驅(qū)動負載中的振蕩，否則電機的編碼器看不到這些。

▲在許多應(yīng)用中，選擇直接驅(qū)動電機可能會具有更好的效果。

在直接驅(qū)動電機上，兩個編碼器報告的位置始終基本相同。在齒輪電機上，您會看到負載在最終減速期間位于編碼器之前，并在移動結(jié)束時振蕩。

這種低頻振蕩源于齒輪箱的間隙和柔性，而不是負載本身的振蕩。直到大約 130 毫秒，它才會穩(wěn)定在 0.05 度以內(nèi)。電機編碼器不會顯示這種振蕩，因此在編程序列中需要額外的延遲來等待它穩(wěn)定下來。

讓我們將這個案例研究置于真實應(yīng)用場景中，看看帶來的實際效益情況（以美元表示）。假設(shè)這臺機器代表一個生產(chǎn)小部件的 8 站分度工作臺。理論上，每一個45 度分度，都在 200 毫秒內(nèi)完成移動，位置公差為 0.05 度。然后在每個站，有一個持續(xù)2 秒的外部工作過程。在最后一站，生產(chǎn)一個小部件，帶來 50 美分的收入。

直接驅(qū)動系統(tǒng)的周期為 2225 毫秒，每小時產(chǎn)生 809 美元的收入。由于穩(wěn)定時間較長，齒輪電機需要兩個 2305 毫秒，每小時產(chǎn)生 772 美元的收入。每小時 37 美元的差異，似乎并不大。但再仔細算一算，8小時輪班的差價為 293 美元，每周工作 5 天的差價接近 1500 美元，每年的差價超過 73,000 美元。即使每個小部件的收入只有 10 美分，這臺機器仍然可以在相同的運營時間內(nèi)每年多產(chǎn)生近15,000美元的收入。本案例研究說明：在為應(yīng)用選型和選擇伺服電機時，考慮可實現(xiàn)的穩(wěn)定時間的影響是多么重要。

直驅(qū)電機的磨損和維護

磨損和維護也是機器性能需要考慮的一部分因素。在直接驅(qū)動電機中，主電機軸承是唯一的摩擦和磨損點。這些電機軸承的規(guī)格通常適用于極重的負載。齒輪箱和皮帶傳動裝置的其它運動部件都會磨損，可能需要潤滑或其它定期維護。

與直接驅(qū)動電機相比，可聽見的噪音也更大。隨著它們的磨損，這些基于傳動機構(gòu)的性能開始下降。間隙和剛性每天都會變得更糟。期望的位置穩(wěn)定時間、準確性和可重復(fù)性也會隨著時間的推移而不斷下降。

低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用的設(shè)計注意事項

一般在設(shè)計低速、旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用時，強烈建議考慮直接驅(qū)動電機。前期成本很容易被性能的提高、設(shè)計的簡單性和維護的便利性所抵消。以下是設(shè)計時的一些注意事項。

首先，請記住直接驅(qū)動電機上的軸承很堅固，可以支撐整個負載的重量。不需要額外的軸承，就像使用齒輪箱或皮帶傳動時一樣。這節(jié)省了整個系統(tǒng)的部件成本、設(shè)計、工程和維護。

到目前為止，關(guān)于剛性的討論僅僅限于傳動部件。然而，機器本身的剛性也發(fā)揮了作用。直接驅(qū)動電機的穩(wěn)定性，取決于負載和轉(zhuǎn)子之間的剛性連接，以及從定子到機器底座的剛性連接。

轉(zhuǎn)接板和框架結(jié)構(gòu)件必須盡可能堅固。在直接驅(qū)動電機施加的極端扭矩下，看起來剛性的東西，可能也會彎曲和偏轉(zhuǎn)。在任何應(yīng)用中，不僅僅是直接驅(qū)動電機，安裝框架和負載板都可能成為機器振動的來源。

最后，考慮采用超大齒輪電機解決方案來降低直接驅(qū)動電機的初始成本，目的是通過編程實現(xiàn)更快的移動來補償較長的穩(wěn)定時間，這種方案可能很誘人。

但請記住，更快的加速需要更大的扭矩，因此需要更大的放大器、聯(lián)軸器和變速器，還可能需要改變機器的框架。確保不要超過負載本身或運動中零件和組件的限制。雖然在相同負載下更大的電機會導(dǎo)致更低的慣量比，但諧振和反諧振頻率會降低，并且更有可能導(dǎo)致振蕩和調(diào)諧復(fù)雜化。

使用直接驅(qū)動電機解決低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用，可避免隱藏的初始成本，同時可以在機器的整個生命周期內(nèi)提供卓越和穩(wěn)定的性能，從長遠來看可以節(jié)省成本。

編輯：黃飛

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